Проблемы мироздания: Закон всемирного тяготения и разбегание галактик

Ранее существовавшие космологические  модели предполагали, что расширение Вселенной замедляется. Они исходили из предположения, что основную часть  массы Вселенной составляет материя  — как видимая, так и невидимая (тёмная материя). На основании новых  наблюдений, свидетельствующих об ускорении  расширения, было постулировано существование  неизвестного вида энергии с отрицательным  давлением. Её назвали «тёмной энергией».

Тёмная энергия и скрытая  масса

Гипотеза о существовании  тёмной энергии (чем бы она ни являлась) решает и так называемую «проблему  невидимой массы». Теория нуклеосинтеза Большого Взрыва объясняет формирование в молодой Вселенной лёгких химических элементов, таких как гелий, водород и литий. Теория крупномасштабной структуры Вселенной объясняет формирование структуры Вселенной: образование звёзд, квазаров, галактик и галактических скоплений. Обе эти теории предполагают, что плотность барионной материи и тёмной материи составляет около 30 % от критической плотности, требуемой для образования «закрытой» Вселенной, то есть плотности, необходимой, чтобы форма Вселенной была плоской. Измерения реликтового излучения Вселенной, недавно проведённые спутником WMAP, показывают, что форма Вселенной действительно очень близка к плоской. Следовательно, некая ранее неизвестная форма невидимой энергии должна давать отсутствующие 70 % плотности Вселенной.

Природа тёмной энергии

Сущность тёмной энергии  является предметом споров. Известно, что она очень равномерно распределена, имеет низкую плотность, и не взаимодействует  сколько-нибудь заметно с обычной  материей посредством известных  фундаментальных типов взаимодействия — за исключением гравитации. Поскольку  гипотетическая плотность тёмной энергии  невелика (порядка 10−29 г/см³), её вряд ли удастся обнаружить лабораторным экспериментом. Тёмная энергия может оказывать  такое глубокое влияние на Вселенную (составляя 70 % всей энергии) только потому, что она однородно наполняет пустое (в иных отношениях) пространство.

Космологическая постоянная

Самое простое объяснение заключается в том, что тёмная энергия — это просто «стоимость существования пространства»: то есть, любой объём пространства имеет  некую фундаментальную, неотъемлемо  присущую ему энергию. Её ещё иногда называют энергией вакуума, поскольку  она является энергетической плотностью чистого вакуума. Это и есть космологическая  постоянная, иногда называемая «лямбда-член» (по имени греческой буквы Λ, используемой для её обозначения в уравнениях общей теории относительности). Введение космологической константы в  стандартную космологическую модель, основанную на метрике Фридмана —  Лемэтра — Робертсона — Уокера, привело к появлению современной модели космологии, известной как лямбда-CDM модель. Эта модель хорошо соответствует имеющимся космологическим наблюдениям.

Многие физические теории элементарных частиц предсказывают  существование вакуумных флуктуаций, то есть наделяют вакуум именно таким  видом энергии. Значение космологической  константы оценивается в порядке 10−29 г/см³, или около 1.03 кэВ/см³ (около 10−123 в Планковских единицах).

Космологическая константа  имеет отрицательное давление, равное её энергетической плотности. Причины, по которым космологическая константа  имеет отрицательное давление, вытекают из классической термодинамики. Количество энергии, заключённое в «коробке с вакуумом» объёма V, равняется  ρV, где ρ — энергетическая плотность космологической константы. Увеличение объёма «коробки» (dV положительно) приводит к возрастанию её внутренней энергии, а это означает выполнение ею отрицательной работы. Так как работа, выполняемая изменением объёма dV, равняется pdV, где p — давление, то p отрицательно и, фактически, p = −ρ (коэффициент с², связывающий массу и энергию, приравнен 1).

Согласно общей теории относительности, гравитация зависит  не только от массы (плотности), но и  от давления, причем давление имеет  бо́льший коэффициент, чем плотность. Отрицательное давление должно порождать отталкивание, антигравитацию, и поэтому вызывает ускорение расширения Вселенной.

Важнейшая нерешённая проблема современной физики состоит в  том, что большинство квантовых  теорий поля, основываясь на энергии  квантового вакуума, предсказывают  громадное значение космологической  константы — на многие порядки  превосходящее допустимое по космологическим  представлениям. Обычная формула квантовой теории поля для суммирования вакуумных нулевых колебаний поля (с обрезанием по волновому числу колебательных мод, соответствующему планковской длине), даёт огромную плотность энергии вакуума. Это значение, следовательно, должно быть скомпенсировано неким действием, почти равным (но не точно равным) по модулю, но имеющим противоположный знак. Некоторые теории суперсимметрии (SATHISH) требуют, чтобы космологическая константа в точности равнялась нулю, что также не способствует разрешению проблемы. Такова сущность «проблемы космологической константы», труднейшей проблемы «тонкой настройки» в современной физике: не найдено ни одного способа вывести из физики элементарных частиц чрезвычайно малое значение космологической константы, определённое в космологии. Некоторые физики, включая Стивена Вайнберга, считают т. н. «антропный принцип» наилучшим объяснением наблюдаемого тонкого баланса энергии квантового вакуума.

Несмотря на эти проблемы, космологическая константа —  это во многих отношениях самое экономное  решение проблемы ускоряющейся Вселенной. Единственное числовое значение объясняет  множество наблюдений. Поэтому нынешняя общепринятая космологическая модель (лямбда-CDM модель) включает в себя космологическую  константу как существенный элемент.

Квинтэссенция

Альтернативный подход был  предложен в 1987 году немецким физиком-теоретиком Кристофом Веттерихом. Веттерих исходил из предположения, что тёмная энергия — это своего рода частицеподобные возбуждения некоего динамического скалярного поля, называемого квинтэссенцией. Отличие от космологической константы в том, что плотность квинтэссенции может варьироваться в пространстве и времени. Чтобы квинтэссенция не могла «собираться» и формировать крупномасштабные структуры по примеру обычной материи (звёзды и т. п.), она должна быть очень лёгкой, то есть иметь большую комптоновскую длину волны.

Никаких свидетельств существования  квинтэссенции пока не обнаружено, но исключить такое существование  нельзя. Гипотеза квинтэссенции предсказывает  чуть более медленное ускорение  Вселенной, в сравнении с гипотезой  космологической константы. Некоторые  учёные полагают, что наилучшим свидетельством в пользу квинтэссенции явились  бы нарушения принципа эквивалентности  Эйнштейна и вариации фундаментальных  констант в пространстве или времени. Существование скалярных полей  предсказывается стандартной моделью  и теорией струн, но при этом возникает  проблема, аналогичная варианту с  космологической константой: теория ренормализации предсказывает, что скалярные поля должны приобретать значительную массу.

Проблема космического совпадения ставит вопрос, почему ускорение Вселенной  началось именно в определенный момент времени. Если бы ускорение во Вселенной  началось раньше этого момента, звёзды и галактики просто не успели бы сформироваться, и у жизни не было бы никаких шансов на возникновение, по крайней мере, в известной нам  форме. Сторонники «антропного принципа»  считают этот факт наилучшим аргументом в пользу своих построений. Впрочем, многие модели квинтэссенции предусматривают  так называемое «следящее поведение», которое решает эту проблему. В  этих моделях поле квинтэссенции  имеет плотность, которая подстраивается к плотности излучения (не достигая её) до того момента развития Большого Взрыва, когда складывается равновесие вещества и излучения. После этого  момента квинтэссенция начинает вести себя как искомая «тёмная  энергия» и в конце концов господствует во Вселенной. Такое развитие естественным образом устанавливает низкое значение уровня тёмной энергии.

Были предложены и другие возможные виды тёмной энергии: фантомная  энергия, для которой энергетическая плотность возрастает со временем (в  уравнении состояния этого типа тёмной энергии ), и так называемая «кинетическая квинтэссенция», имеющая форму нестандартной кинетической энергии. Они имеют необычные свойства: например, фантомная энергия может привести к Большому Разрыву Вселенной.

Тёмная материя

Тёмная материя в астрономии и космологии — форма материи, которая не испускает электромагнитного  излучения и не взаимодействует  с ним. Это свойство данной формы  вещества делает невозможным её прямое наблюдение. Однако возможно обнаружить присутствие тёмной материи по создаваемым  ею гравитационным эффектам.

Сверхмассивные чёрные дыры могут быть источниками мощной гравитации, но у них не хватит силы чтобы  удержать связь между телами галактики, по всем законам физики галактики  должны распадаться. В 30-е годы XX века швейцарский астроном Фриц Вике задался  вопросом: «Почему галактики не распадаются?»  По его расчётам они не вырабатывают достаточную силу притяжения и следовательно  должны разлетаться по космосу. «Они держатся вместе плотной группой, а  значит что-то не даёт им распадаться, но их собственная сила притяжения не имеет достаточной мощи, поэтому  он заключил что существует нечто  о чём неизвестно человечеству, нечто  невообразимое и он дал ей имя  «Тёмная материя».

Обнаружение природы тёмной материи поможет решить проблему скрытой массы, которая, в частности, заключается в аномально высокой  скорости вращения внешних областей галактик.

Сверхмассивные чёрные дыры могут быть источниками мощной гравитации, но у них не хватит силы чтобы  удержать связь между телами галактики, по всем законам физики галактики  должны распадаться. В 30-е годы XX века швейцарский астроном Фриц Вике задался  вопросом: «Почему галактики не распадаются?»  По его расчётам они не вырабатывают достаточную силу притяжения и следовательно  должны разлетаться по космосу. «Они держатся вместе плотной группой, а  значит что-то не даёт им распадаться, но их собственная сила притяжения не имеет достаточной мощи, поэтому  он заключил что существует нечто  о чём неизвестно человечеству, нечто  невообразимое и он дал ей имя  «Тёмная материя».

Данные наблюдений

Известно, что тёмное вещество взаимодействует  со «светящимся» (барионным), по крайней  мере, гравитационным образом и представляет собой среду со средней космологической  плотностью, в несколько раз превышающей  плотность барионов. Последние захватываются  в гравитационные ямы концентраций тёмной материи. Поэтому, хотя частицы  тёмной материи и не взаимодействуют  со светом, свет испускается оттуда, где есть тёмное вещество. Это замечательное  свойство гравитационной неустойчивости сделало возможным изучение количества, состояния и распределения тёмной материи по наблюдательным данным от радиодиапазона до рентгеновского излучения.

Непосредственное изучение распределения  тёмной материи в скоплениях галактик стало возможным после получения  их высокодетализированных изображений в 1990-х годах. При этом изображения более удалённых галактик, проецирующихся на скопление, оказываются искажёнными или даже расщепляются из-за эффекта гравитационного линзирования. По характеру этих искажений становится возможным восстановить распределение и величину массы внутри скопления независимо от наблюдений галактик самого скопления. Таким образом, прямым методом подтверждается наличие скрытой массы и тёмной материи в галактических скоплениях.

Опубликованное в 2012 году исследование движения более 400 звёзд, расположенных  на расстояниях до 13 000 световых лет  от Солнца, не нашло свидетельств присутствия  тёмной материи в большом объёме пространства вокруг Солнца. Согласно предсказаниям теорий, среднее количество тёмной материи в окрестности Солнца должно было составить примерно 0,5 кг в объёме земного шара. Однако измерения дали значение 0,00±0,06 кг тёмной материи в этом объёме. Это означает, что попытки зарегистрировать тёмную материю на Земле, например, при редких взаимодействиях частиц темной материи с «обычной» материей, вряд ли могут быть успешными.

Барионная тёмная материя

Наиболее естественным кажется  предположение, что тёмная материя  состоит из обычного, барионного вещества, по каким-либо причинам слабо взаимодействующего электромагнитным образом и потому необнаружимого при исследовании, к примеру, линий излучения и поглощения. В состав тёмного вещества могут входить многие уже обнаруженные космические объекты, как то: тёмные галактические гало, коричневые карлики и массивные планеты, компактные объекты на конечных стадиях эволюции: белые карлики, нейтронные звёзды, чёрные дыры. Кроме того, такие гипотетические объекты, как кварковые звёзды, Q-звёзды и преонные звёзды также могут являться частью барионной тёмной материи.

Проблемы такого подхода  проявляются в космологии Большого взрыва: если вся тёмная материя  представлена барионами, то соотношение  концентраций лёгких элементов после  первичного нуклеосинтеза, наблюдаемое в самых старых астрономических объектах, должно быть другим, резко отличающимся от наблюдаемого. Кроме того, эксперименты по поиску гравитационного линзирования света звёзд нашей Галактики показывают, что достаточной концентрации крупных гравитирующих объектов типа планет или чёрных дыр для объяснения массы гало нашей Галактики не наблюдается, а мелкие объекты достаточной концентрации должны слишком сильно поглощать свет звёзд.

Заключение

В конце можно сказать, что в во вселенной существуют и действуют силы неизведанные и  непонятные человечеству. Мы пытаемся объяснить их со своей точки зрения, но пока полёты в далёкий космос не будут осуществимы, узнать наверняка  мы не сможем. Галактики притягиваются  друг к другу, сталкиваются, образуют группы, скопления, а те сверхскопления. Но тем не менее они держаться  плотной группой и разбегаются  друг от друга, на этот вопрос точного  ответа нету и учёные до сих пор  пытаются найти на него ответ, в этом докладе мы рассмотрели наиболее явные причины и гипотезы, но самое  интересное у нас ещё впереди.

Список литературы:

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Закон_Хаббла
2. http://estestvo-znanie.ru/kosmos/7-ucheniya-o-kosmose/163-razbeganie-galaktik.html
3. http://greatphis.ru/?page_id=31
4. http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/astronomiya/GALAKTIKI.html
5. http://lenta.ru/news/2012/06/01/andromeda/
6. http://zagadki-kosmosa.blogspot.com/2012/09/blog-post_19.html
7. http://kosmos.of.by/